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實(shí)例講解Linux內(nèi)核信號(hào)SIGIO的使用

2021-07-16 17:28

一、信號(hào)

1．基本概念

信號(hào)是在軟件層次上對(duì)中斷機(jī)制的一種模擬,在原理上,一個(gè)進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)與處理器收到一個(gè)中斷請(qǐng)求可以說(shuō)是一樣的。信號(hào)是異步的,一個(gè)進(jìn)程不必通過(guò)任何操作來(lái)等待信號(hào)的到達(dá),事實(shí)上,進(jìn)程也不知道信號(hào)到底什么時(shí)候到達(dá)。

例如鍵盤(pán)輸入中斷按鍵(^C),它的發(fā)生在程序執(zhí)行過(guò)程中是不可預(yù)測(cè)的。

信號(hào)是進(jìn)程間通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制,可以看作是異步通知,通知接收信號(hào)的進(jìn)程有哪些事情發(fā)生了。

硬件異常也能產(chǎn)生信號(hào),例如被零除、無(wú)效內(nèi)存引用(test里產(chǎn)生的就是這種錯(cuò)誤)等。這些條件通常先由內(nèi)核硬件檢測(cè)到,然后通知內(nèi)核。內(nèi)核將決定產(chǎn)生什么樣的信號(hào)。

同一個(gè)信號(hào)的額外發(fā)生通常不會(huì)被排隊(duì)。如果信號(hào)在被阻塞時(shí)發(fā)生了5次,當(dāng)我們反阻塞這個(gè)信號(hào)時(shí),這個(gè)信號(hào)的信號(hào)處理函數(shù)通常只被調(diào)用一次。

同一時(shí)刻只能處理一個(gè)信號(hào),在信號(hào)處理函數(shù)發(fā)信號(hào)給自己時(shí),該信號(hào)會(huì)被pending。

信號(hào)的數(shù)值越小,則優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)進(jìn)程收到多個(gè)待處理信號(hào)時(shí),總是先處理優(yōu)先級(jí)別高的信號(hào)。

信號(hào)處理函數(shù)的棧可以使用被中斷的也可以使用獨(dú)立的,具體可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置。

信號(hào)機(jī)制經(jīng)過(guò)POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展后,功能更加強(qiáng)大,除了基本通知功能外,還可以傳遞附加信息。

2．處理方式

忽略:接收到信號(hào)后不做任何反應(yīng)。捕獲:用自定義的信號(hào)處理函數(shù)來(lái)執(zhí)行特定的動(dòng)作。默認(rèn):接收到信號(hào)后按系統(tǒng)默認(rèn)的行為處理該信號(hào)。這是多數(shù)應(yīng)用采取的處理方式。

二、Linux下的信號(hào)類(lèi)型

使用kill -l就會(huì)顯示出linux支持的信號(hào)列表。

其中列表中,編號(hào)為1 ～ 31的信號(hào)為傳統(tǒng)UNIX支持的信號(hào),是不可靠信號(hào)(非實(shí)時(shí)的),編號(hào)為32 ～ 63的信號(hào)是后來(lái)擴(kuò)充的,稱(chēng)做可靠信號(hào)(實(shí)時(shí)信號(hào))。不可靠信號(hào)和可靠信號(hào)的區(qū)別在于前者不支持排隊(duì),可能會(huì)造成信號(hào)丟失,而后者不會(huì)。

下面我們對(duì)編號(hào)小于SIGRTMIN的信號(hào)進(jìn)行討論(下面的編號(hào) 依次對(duì)應(yīng)信號(hào) 的數(shù)值為1 - 31)。

1) SIGHUP

本信號(hào)在用戶(hù)終端連接(正�；蚍钦�)結(jié)束時(shí)發(fā)出, 通常是在終端的控制進(jìn)程結(jié)束時(shí), 通知同一session內(nèi)的各個(gè)作業(yè), 這時(shí)它們與控制終端不再關(guān)聯(lián)。

登錄Linux時(shí),系統(tǒng)會(huì)分配給登錄用戶(hù)一個(gè)終端(Session)。在這個(gè)終端運(yùn)行的所有程序,包括前臺(tái)進(jìn)程組和后臺(tái)進(jìn)程組,一般都屬于這個(gè) Session。當(dāng)用戶(hù)退出Linux登錄時(shí),前臺(tái)進(jìn)程組和后臺(tái)有對(duì)終端輸出的進(jìn)程將會(huì)收到SIGHUP信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的默認(rèn)操作為終止進(jìn)程,因此前臺(tái)進(jìn) 程組和后臺(tái)有終端輸出的進(jìn)程就會(huì)中止。不過(guò)可以捕獲這個(gè)信號(hào),比如wget能捕獲SIGHUP信號(hào),并忽略它,這樣就算退出了Linux登錄,wget也能繼續(xù)下載。

此外,對(duì)于與終端脫離關(guān)系的守護(hù)進(jìn)程,這個(gè)信號(hào)用于通知它重新讀取配置文件。

2) SIGINT

程序終止(interrupt)信號(hào), 在用戶(hù)鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時(shí)發(fā)出,用于通知前臺(tái)進(jìn)程組終止進(jìn)程。

3) SIGQUIT

和SIGINT類(lèi)似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來(lái)控制．進(jìn)程在因收到SIGQUIT退出時(shí)會(huì)產(chǎn)生core文件, 在這個(gè)意義上類(lèi)似于一個(gè)程序錯(cuò)誤信號(hào)。

4) SIGILL

執(zhí)行了非法指令．通常是因?yàn)榭蓤?zhí)行文件本身出現(xiàn)錯(cuò)誤, 或者試圖執(zhí)行數(shù)據(jù)段．堆棧溢出時(shí)也有可能產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)。

5) SIGTRAP

由斷點(diǎn)指令或其它trap指令產(chǎn)生．由debugger使用。

6) SIGABRT

調(diào)用abort函數(shù)生成的信號(hào)。

7) SIGBUS

非法地址, 包括內(nèi)存地址對(duì)齊(alignment)出錯(cuò)。比如訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)四個(gè)字長(zhǎng)的整數(shù), 但其地址不是4的倍數(shù)。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對(duì)合法存儲(chǔ)地址的非法訪(fǎng)問(wèn)觸發(fā)的(如訪(fǎng)問(wèn)不屬于自己存儲(chǔ)空間或只讀存儲(chǔ)空間)。

8) SIGFPE

在發(fā)生致命的算術(shù)運(yùn)算錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出．不僅包括浮點(diǎn)運(yùn)算錯(cuò)誤, 還包括溢出及除數(shù)為0等其它所有的算術(shù)的錯(cuò)誤。

9) SIGKILL

用來(lái)立即結(jié)束程序的運(yùn)行．本信號(hào)不能被阻塞、處理和忽略。如果管理員發(fā)現(xiàn)某個(gè)進(jìn)程終止不了,可嘗試發(fā)送這個(gè)信號(hào)。

10) SIGUSR1

留給用戶(hù)使用

11) SIGSEGV

試圖訪(fǎng)問(wèn)未分配給自己的內(nèi)存, 或試圖往沒(méi)有寫(xiě)權(quán)限的內(nèi)存地址寫(xiě)數(shù)據(jù)．

信號(hào) 11,即表示程序中可能存在特定條件下的非法內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。

12) SIGUSR2

留給用戶(hù)使用

13) SIGPIPE

管道破裂。這個(gè)信號(hào)通常在進(jìn)程間通信產(chǎn)生,比如采用FIFO(管道)通信的兩個(gè)進(jìn)程,讀管道沒(méi)打開(kāi)或者意外終止就往管道寫(xiě),寫(xiě)進(jìn)程會(huì)收到SIGPIPE信號(hào)。此外用Socket通信的兩個(gè)進(jìn)程,寫(xiě)進(jìn)程在寫(xiě)Socket的時(shí)候,讀進(jìn)程已經(jīng)終止。

14) SIGALRM

時(shí)鐘定時(shí)信號(hào), 計(jì)算的是實(shí)際的時(shí)間或時(shí)鐘時(shí)間． alarm函數(shù)使用該信號(hào)．

15) SIGTERM

程序結(jié)束(terminate)信號(hào), 與SIGKILL不同的是該信號(hào)可以被阻塞和處理。通常用來(lái)要求程序自己正常退出,shell命令kill缺省產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)。如果進(jìn)程終止不了,我們才會(huì)嘗試SIGKILL。

17) SIGCHLD

子進(jìn)程結(jié)束時(shí), 父進(jìn)程會(huì)收到這個(gè)信號(hào)。

如果父進(jìn)程沒(méi)有處理這個(gè)信號(hào),也沒(méi)有等待(wait)子進(jìn)程,子進(jìn)程雖然終止,但是還會(huì)在內(nèi)核進(jìn)程表中占有表項(xiàng),這時(shí)的子進(jìn)程稱(chēng)為僵尸進(jìn)程。這種情況我們應(yīng)該避免(父進(jìn)程或者忽略SIGCHILD信號(hào),或者捕捉它,或者wait它派生的子進(jìn)程,或者父進(jìn)程先終止,這時(shí)子進(jìn)程的終止自動(dòng)由init進(jìn)程來(lái)接管)。

18) SIGCONT

讓一個(gè)停止(stopped)的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行．本信號(hào)不能被阻塞．可以用一個(gè)handler來(lái)讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時(shí)完成特定的工作．例如, 重新顯示提示符

19) SIGSTOP

停止(stopped)進(jìn)程的執(zhí)行．注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進(jìn)程還未結(jié)束, 只是暫停執(zhí)行．本信號(hào)不能被阻塞, 處理或忽略．

20) SIGTSTP

停止進(jìn)程的運(yùn)行, 但該信號(hào)可以被處理和忽略．用戶(hù)鍵入SUSP字符時(shí)(通常是Ctrl-Z)發(fā)出這個(gè)信號(hào)

21) SIGTTIN

當(dāng)后臺(tái)作業(yè)要從用戶(hù)終端讀數(shù)據(jù)時(shí), 該作業(yè)中的所有進(jìn)程會(huì)收到SIGTTIN信號(hào)．缺省時(shí)這些進(jìn)程會(huì)停止執(zhí)行．

22) SIGTTOU

類(lèi)似于SIGTTIN, 但在寫(xiě)終端(或修改終端模式)時(shí)收到．

23) SIGURG

有"緊急"數(shù)據(jù)或out-of-band數(shù)據(jù)到達(dá)socket時(shí)產(chǎn)生．

24) SIGXCPU

超過(guò)CPU時(shí)間資源限制．這個(gè)限制可以由getrlimit/setrlimit來(lái)讀取/改變。

25) SIGXFSZ

當(dāng)進(jìn)程企圖擴(kuò)大文件以至于超過(guò)文件大小資源限制。

26) SIGVTALRM

虛擬時(shí)鐘信號(hào)．類(lèi)似于SIGALRM, 但是計(jì)算的是該進(jìn)程占用的CPU時(shí)間．

27) SIGPROF

類(lèi)似于SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括該進(jìn)程用的CPU時(shí)間以及系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)間．

28) SIGWINCH

窗口大小改變時(shí)發(fā)出．

29) SIGIO

文件描述符準(zhǔn)備就緒, 可以開(kāi)始進(jìn)行輸入/輸出操作．

30) SIGPWR

Power failure

31) SIGSYS

非法的系統(tǒng)調(diào)用。

三、信號(hào)行為說(shuō)明

不通的信號(hào)在不同的標(biāo)準(zhǔn)下,功能有所差別,下面列出主要的信號(hào)的默認(rèn)行為和說(shuō)明:

名稱(chēng)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)行為說(shuō)明SIGILL4ANSI終止+coredump執(zhí)行了非法指令．通常是因?yàn)榭蓤?zhí)行文件本身出現(xiàn)錯(cuò)誤, 或者試圖執(zhí)行數(shù)據(jù)段．堆棧溢出時(shí)也有可能產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)SIGABRT6ANSI終止+coredump調(diào)用abort函數(shù)生成的信號(hào)SIGBUS74．2 BSD終止+coredump非法地址, 包括內(nèi)存地址對(duì)齊(alignment)出錯(cuò)。比如訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)四個(gè)字長(zhǎng)的整數(shù), 但其地址不是4的倍數(shù)。它與SIGSEGV的區(qū)別在于后者是由于對(duì)合法存儲(chǔ)地址的非法訪(fǎng)問(wèn)觸發(fā)的(如訪(fǎng)問(wèn)不屬于自己存儲(chǔ)空間或只讀存儲(chǔ)空間)SIGFPE8ANSI終止+coredump在發(fā)生致命的算術(shù)運(yùn)算錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出．不僅包括浮點(diǎn)運(yùn)算錯(cuò)誤, 還包括溢出及除數(shù)為0等其它所有的算術(shù)的錯(cuò)誤SIGSEGV11ANSI終止+coredump試圖訪(fǎng)問(wèn)未分配給自己的內(nèi)存, 或試圖往沒(méi)有寫(xiě)權(quán)限的內(nèi)存地址寫(xiě)數(shù)據(jù)。訪(fǎng)問(wèn)空指針,野指針基本都產(chǎn)生這個(gè)信號(hào),也是最常見(jiàn)的信號(hào)SIGSTKFLT16N/A終止堆棧錯(cuò)誤SIGPIPE13POSIX終止管道破裂。這個(gè)信號(hào)通常在進(jìn)程間通信產(chǎn)生,比如采用FIFO(管道)通信的兩個(gè)進(jìn)程,讀管道沒(méi)打開(kāi)或者意外終止就往管道寫(xiě),寫(xiě)進(jìn)程會(huì)收到SIGPIPE信號(hào)。

此外用Socket通信的兩個(gè)進(jìn)程,寫(xiě)進(jìn)程在寫(xiě)Socket的時(shí)候,讀進(jìn)程已經(jīng)終止SIGTRAP5POSIX終止+coredump由斷點(diǎn)指令或其它trap指令產(chǎn)生．由debugger使用SIGHUP1POSIX終止用戶(hù)終端連接(正�；蚍钦�)結(jié)束時(shí)發(fā)出, 通常是在終端的控制進(jìn)程結(jié)束時(shí), 通知同一session內(nèi)的各個(gè)作業(yè), 這時(shí)它們與控制終端不再關(guān)聯(lián)SIGINT2ANSI終止程序終止(interrupt)信號(hào), 在用戶(hù)鍵入INTR字符(通常是Ctrl-C)時(shí)發(fā)出,用于通知前臺(tái)進(jìn)程組終止進(jìn)程SIGQUIT3POSIX終止+coredump和SIGINT類(lèi)似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-)來(lái)控制．進(jìn)程在因收到SIGQUIT退出時(shí)會(huì)產(chǎn)生core文件, 在這個(gè)意義上類(lèi)似于一個(gè)程序錯(cuò)誤信號(hào)SIGKILL9POSIX終止用來(lái)立即結(jié)束程序的運(yùn)行．本信號(hào)不能被阻塞、捕獲和忽略。如果管理員發(fā)現(xiàn)某個(gè)進(jìn)程終止不了,可嘗試發(fā)送這個(gè)信號(hào)SIGCHLD17POSIX忽略子進(jìn)程結(jié)束時(shí), 父進(jìn)程會(huì)收到這個(gè)信號(hào)。如果父進(jìn)程沒(méi)有處理這個(gè)信號(hào),也沒(méi)有等待(wait)子進(jìn)程,子進(jìn)程雖然終止,但是還會(huì)在內(nèi)核進(jìn)程表中占有表項(xiàng),這時(shí)的子進(jìn)程稱(chēng)為僵尸進(jìn)程。

這種情況我們應(yīng)該避免(父進(jìn)程或者忽略SIGCHILD信號(hào),或者捕捉它,或者wait它派生的子進(jìn)程,或者父進(jìn)程先終止,這時(shí)子進(jìn)程的終止自動(dòng)由init進(jìn)程來(lái)接管)SIGCONT18POSIX繼續(xù)/忽略讓一個(gè)停止(stopped)的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行．本信號(hào)不能被阻塞．可以用一個(gè)handler來(lái)讓程序在由stopped狀態(tài)變?yōu)槔^續(xù)執(zhí)行時(shí)完成特定的工作．例如, 重新顯示提示符．．在進(jìn)程掛起時(shí)是繼續(xù),否則是忽略SIGSTOP19POSIX暫停暫停進(jìn)程的執(zhí)行．注意它和terminate以及interrupt的區(qū)別:該進(jìn)程還未結(jié)束, 只是暫停執(zhí)行．本信號(hào)不能被阻塞、捕獲或忽略SIGALRM14POSIX終止時(shí)鐘定時(shí)信號(hào), 計(jì)算的是實(shí)際的時(shí)間或時(shí)鐘時(shí)間． alarm函數(shù)使用該信號(hào)四、信號(hào)分類(lèi)

在以上列出的信號(hào)中,程序不可捕獲、阻塞或忽略的信號(hào)有:

SIGKILL,SIGSTOP

不能恢復(fù)至默認(rèn)動(dòng)作的信號(hào)有:

SIGILL,SIGTRAP

默認(rèn)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程流產(chǎn)的信,有:

SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ

默認(rèn)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程退出的信號(hào)有:

SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM

默認(rèn)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程停止的信號(hào)有:

SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU

默認(rèn)進(jìn)程忽略的信號(hào)有:

SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH

此外,SIGIO在SVR4是退出,在4．3BSD中是忽略;

SIGCONT在進(jìn)程掛起時(shí)是繼續(xù),否則是忽略,不能被阻塞

終止程序的時(shí)候在不得已的情況下不能用SIGKILL,因?yàn)镾IGKILL不會(huì)對(duì)子進(jìn)程進(jìn)行處理,只是把對(duì)自己進(jìn)行處理。

五、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO-SIGIO-29

下面我們主要講SIGIO-29的使用。

參考上圖:

時(shí)刻1 通過(guò)sigaction系統(tǒng)調(diào)用建立信號(hào)SIGIO的信號(hào)處理函數(shù),該函數(shù)壺立即返回,注意,對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)必須支持方法．fastnc時(shí)刻2 數(shù)據(jù)此時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)備好,應(yīng)進(jìn)程會(huì)繼續(xù)執(zhí)行,而內(nèi)核會(huì)繼續(xù)等待數(shù)據(jù),也就是說(shuō)等待數(shù)據(jù)階段應(yīng)用進(jìn)程是非阻塞的。時(shí)刻3 內(nèi)核準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù),要向應(yīng)用進(jìn)程復(fù)制數(shù)據(jù),通過(guò)函數(shù)kill_fasync()向應(yīng)用程序遞交SIGIO信號(hào),二應(yīng)用程序的信號(hào)處理程序會(huì)被調(diào)用到,在該函數(shù)中我們可以通過(guò)read等系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核賦值程序到進(jìn)程時(shí)刻4 在賦值數(shù)據(jù)期間,進(jìn)程阻塞時(shí)刻5 數(shù)據(jù)復(fù)制完成,會(huì)返回成功的指示,應(yīng)用程序可以繼續(xù)處理數(shù)據(jù)

信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的 CPU 利用率很高,因?yàn)樵趫D中,等待數(shù)據(jù)的那段時(shí)間2,應(yīng)用程序可以繼續(xù)執(zhí)行其他操作。

六、程序?qū)崿F(xiàn)

1．信號(hào)注冊(cè)函數(shù)signal()#include

功能:

給信號(hào)signum注冊(cè)處理函數(shù),函數(shù)原型是void (*sighandler_t)(int)
當(dāng)收到信號(hào)signum后,就會(huì)調(diào)用注冊(cè)的函數(shù)

參數(shù):

int signum 信號(hào)值
sighandler_t handler 信號(hào)處理函數(shù)
2．內(nèi)核函數(shù)void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

功能:

發(fā)送信號(hào)sig給進(jìn)程,通知進(jìn)程是可讀還是可寫(xiě),由band給出
POLLIN :可讀
POLLOUT:可寫(xiě)

通用字符設(shè)備的．fasync方法,一般都是固定的寫(xiě)法,我們暫時(shí)可以不用關(guān)心他的原理,會(huì)用即可,具體寫(xiě)法如下:

static ssize_t hello_write (struct file *filep, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int error;
…………
kill_fasync(&hello_fasync,SIGIO,POLLIN);
return size;
}
static struct file_operations hello_ops =
{
…………
．fasync = hello_fasync_func,
};
2．源程序

驅(qū)動(dòng)程序:hello．c

*公眾號(hào):一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

write．c

*一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

test．c

*公眾號(hào):一口Linux
*2021．6．21
*version: 1．0．0
#include

編譯

make
gcc test．c -o run
gcc write．c -o run

執(zhí)行:

insmod hello．ko

先開(kāi)啟一個(gè)終端 ,執(zhí)行

．/run